基于TOPSwitch及PI Expert的单端反激式开关电源设计
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关键词：开关电源；反激变换器；变压器：TOPSwitch
0 引言
开关电源以其小型、轻量和高效率的特点，被广泛地应用于各种电气设备和系统中，其性能的优劣直接关系到整个系统功能的实现。开关稳压电源有多种类型，其中单端反激式开关电源由于具有线路简单，所需要的元器件少，能够提供多路隔离输出等优点而广泛应用于小功率电源领域。
传统的单端反激电源一般由PWM控制芯片(如UC3842)和功率开关管(频率较高时一般使用MOSFET)组成，PWM芯片控制环路设计复杂，容易造成系统工作不稳定，功率开关管有时需要外加驱动电路。另外，反激变压器的设计也是一个难点，其往往导致电源设计周期延长。随着PI公司生产的以TOPSwitch为代表的新一代单片开关电源的问世，以上诸多问题都得到了很好的解决。应用TOPSwitch设计开关电源，不仅器件更少，结构更简单，发热量更少，工作更可靠，而且与之配套的软件设计平台Pl Expert使得变压器的设计也变得异常容易。两者结合已成为一种高效的开关电源设计方案。本文以一个具体的设计实例，洋细阐述了如何应用TOPSwitch及PI Expert进行开关电源没计，并通过试验进行了验证。
1 单端反激电源基本工作原理
单端反激式开关电源的基本本作原理比较简单。采用基本反馈电路的基于TOPSwitch的单端反激电路如图l所示，其中变压器T1具有能量存储、原副边隔离和电压转换三种作用。
TOPSwitch开通时副边整流二极管D2截止，此间输出负载的能量由C1提供；TOPSwitch关断后,变压器磁心中的磁通减少,副边绕组电压极性反向，整流二极管开始导通,存储在变压器中的能量输送给负载，同时补充C1先前减少的能量。
根据变压器原边电流是否减小到零，可以将单端反激式开关电源分为断续和连续两种工作模式。不同工作模式对整个电源的效率以及相关参数的选择都有一定影响。
2 TOPSwithch及PI Expert简介
TOPSwitch系列单片开关电源是美国Power Integrations(PI)公司开发的新型开关电源芯片，其将离线式开关电源所必需的各种功能模块都集成到一块芯片上，包括高压功率场效应管MOSFET、PWM控制器、高频振荡器、高压启动偏置电路、基准电压、误差放大器、用于环路补偿的并联偏置调整器以及各种保护电路等。
TOPSwitch主要引脚有三个，分别为引脚DRAIN(D)、引脚SOURCE(S)和引脚CONTROL(C)，附加引脚包括过欠压检测(L)、电流限制(X)以及频率选择(F)。
使用时需在C和S之间接一个47μF旁路电容，利用该电容的充电过程来实现电路的软启动。CONTROL引脚为误差放大器和反馈输入脚，实现占空比调节控制。
PI Expert是Pl公司专门针对TOPSwitch开发的一种交互式电源设计软件平台。其特点是简单易用、灵活方便，是一种高效的开关电源没计工具。
3 设计实列
本文设计一种单端反激式多路输出开关电源，用作电气传动系统中的控制及驱动电源。其输入电压为交流85～265V，并要求整个电路结构简单、工作可靠，具有过欠压保护功能。各路输出之间相互电气隔离，其中用作控制电源的一路要求输出功率较大，稳压精度±5％，用作驱动的各路输出功率较小，稳压精度±10%。
3.1 电路结构选择
单端反激式开关电源的电路结构根据采用的反馈方式的不同可分为以下几种：
(1)Primary/Basic型，利用绕组进行反馈；
(2)Primary/Bnhanced型，利用绕组和一个齐纳二极管进行反馈；
(3)Opto/Zener型，利用光耦和齐纳二极管进行反馈；
(4)Opto/TL43l型，利用光耦和精密基准源TL43I进行反馈。
以上几种结构，性能依次增强，但成本和复杂程度也依次增加。
Primary/Basic型结构最简单，只需要一个电阻，利用各绕组之间的磁耦合关系，直接采用绕组进行反馈(图1所示)。本设计采用这种结构，并对要求有较高稳压精度的+5V控制电源一路加装一片稳压芯片(如7805)，这样既保证了所要求的输出有足够的稳压精度，同时也省去了反馈光耦和精密基准源TL43l，电路结构简单，工作可靠，从成本上考虑也是可取的。
系统电路图如图2所示。
图2中，P6KE200和BYV26C组成关断过压吸收电路，R1为过欠压检测电阻，R2为过流检测电阻，NF为反馈绕组，RF为反馈电阻。
3.2 反激变压器设计
变压器是开关电源的核心部件，其设计的好坏直接影响开关电源的性能。由于在反激式开关电源中，反激变压器除了实现原副边隔离和电压转换外，还承担储能的作用，所以在常规的变压器设计方法基础之上，反激变压器的设计还要特别关注原边电感量这个重要参数，其直接影响变压器储能的大小。
手工设计反激变压器非常复杂。需要计算原边电感量，根据功率初步选定一个磁芯和骨架，计算原副边匝数，计算线径，计算气隙长度，最后核算窗口面积和最大磁通密度，如超过限定值。则需重新设计。经过反复的计算及修改，直到满足要求为止。
应用PI Expert软件只需经过几步简单的操作，就能得到设计结果，包括所推荐的变压器磁芯型号、原副边匝数、导线线径、原边电感量和T0P-Switch芯片型号等关键参数。最终设计参数如下：
TOPSwitch芯片型号 TOP243Y；
磁芯型号 EI22；
原边电感 600μH；
原边匝数 原边56匝；
副边匝数 3匝(5V)，8匝(15V)；
反馈绕组匝数 4匝；
线径 35AWG(原边)，31-35AWG
(15V)，2l-25AWG（5V）。
另外，在此基础上还可以用PI公司提供的PI Transformer Designer软件对变压器参数进行优化。
4 试验结果及分析
根据以上设计，实际构建了一个基于TOP243Y的单端反激式多路输出开关电源硬件电路进行试验。
4.1 自动重启试验
为了掌握TOPSwitch芯片的工作特性，在搭建好试验电路后，断开芯片控制端的反馈电路，仅在漏源之间加一个30V左右的低电压对其进行自动重启试验。图3为自动重启过程波形图。通道l为漏极电压波形，通道2为控制端电压波形。从图3中可以看出，控制端电压VC保持在4.8～5.8V之间，这是由芯片内部的高压电流源不断对控制端电容进行充放电形成的。每经过8个这样的充放电周期，芯片将重启一次，这样极大地减少了芯片的功耗。另外，一些电路故障(如输出短路)也会导致TOPSwitch芯片进入自动重启过程。
4.2 负载试验
在AC l00V输入情况下，给所有输出带上额定负载。通过长时间考核实验后，各路电源输出稳定、输出电压值满足设计要求。其中两路的输出电压波形如图4所示。
轻载时电源工作在断续模式，断续模式时输出电压对负载变化比较敏感；满载时电源工作在连续模式，连续模式时负载波动对输出电压的影响较小。断续和连续时TOPSwitch管漏源电压波形如图5所示。
另外，还选择了其中的5V/lA和15V/100mA两路进行了 200％过载试验。过载这两路输出电压比设计值下降约lV，输出电压纹波明显增大，TOP管发热量增加，变压器发热量增加且有微响，输出滤波电容发烫；额定负载的几路输出电压也下降了约O.5V，其它正常。半小时后，TOPSwitch管过热保护。
4.3 过欠压保护试验
过欠压检测电阻取值为2MΩ，当输入交流整流后的直流电压低于100V时欠压保护动作，高于450V时过压保护动作。无论是过压还是欠压，都将导致TOPSwitch管停止工作，直到过欠压情况消失，系统才能恢复正常工作。
4.4 单点故障试验
为了保证电路的可靠性，对电路中的不同器件和不同关键节点进行了开路、短路试验。针对一路输出的单点测试方案包括以下几项试验：a漏极、控制端开路试验；b控制端外接电容短路、开路试验；c原边绕组短路、开路试验；d副边绕组或输出整流二极管短路、开路试验；e输出滤波电容短路、开路试验。
试验结果如表1所列。其中a至e代表上面提及的试验项目，b（短）表示b项目控制端外接电容短路，b（开）表示b项目控制端外接电容开路，其他依此类推。
5 结语
试验证明本文所设计的单端反激式多路输出开关电源具有良好的工作性能。该电路所用器件少，结构精简，控制方式简单，具有过欠压等保护功能，大大提高了系统的可靠性和电磁兼容能力。采用TOPSwitch系列芯片结合PI Expert软件进行开关电源设计，周期短，成本低，效率高。
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